李程
中铁工程设计咨询集团有限公司北京100055
摘要：随着电力电子技术的发展，全控型电力电子器件得到了普及，柔性直流输电作为一种新型供电技术，改善了传统直流输电的技术缺陷，重新走进人们的视线，并以它诸多的优势，为解决铁路电力供电系统技术领域存在的问题，提供了一种全新的思路。本文分析了目前铁路供电系统的不足，分析了柔性直流输电应用于铁路供电系统的可能性，为改善铁路供电系统的安全性和可靠性，提供了新的思路。
关键词：柔性直流输电；铁路供电系统；电压源换流器。
1引言
1.1当前10kV配电网供电系统的局限性
目前，我国大部分地区的铁路配电网，主要采用的是交流10kV电压等级的供电模式，在使用的过程中，逐渐暴露一定的局限性，主要表现在以下的几个方面：
（1）电能质量偏低。空载或轻载运行时，由于分布电容作用，线路末端电压升高，带负荷运行时，线路电压损失较大，线路首末端电压相角差变大，线路电阻中消耗的功率增大，供电经济性和可靠性下降。
（2）供电半径不足。给车站及沿线负荷供电的电力贯通线，一般长为40km～60km，少数能达到70km以上，由电缆与架空线混合构成。
（3）偏远地区电源点不足。青藏、兰新等铁路，地处青藏高原或沙漠地区，地域面积广，人烟稀少，电源接引点少，导致铁路贯通线只能采取超长距离供电，严重影响供电质量。
（4）无功补偿。我国高速铁路的贯通线，采用的是全电缆线路，全电缆线路的特点是分布电容很大，对地的电容电流也很大，由此导致容性无功过剩，线路末端电压升高，无法满足用电需求。对此，目前常用的措施，是并联电抗器、串联电容器、加装动态无功补偿装置等。这些措施，在一定程度上改善了电能质量，但也带来投资增加，过电压升高，线路损耗加大等一系列新的问题。
1.2柔性直流输电在铁路电力供电系统中应用的可能性
近年来，随着电力电子技术的飞速发展，全控型电力电子器件得到了普及，柔性直流输电作为一种新型供电技术，改善了传统直流输电的技术缺陷，重新走进人们的视线，并以它诸多的优势，为解决铁路电力供电系统技术领域存在的问题提供了一种全新思路。
（1）直流输电，其线路的电抗接近于零，相当于只有等效电阻，因此产生的损耗小，电能质量比较有保证。而且，由于直流架空线路仅使用1根或2根导线，所以有功损耗较小，并且具有"空间电荷"效应，其电晕损耗和无线电干扰均比交流架空线路要小。
（2）在远距离输电过程中，由于没有电抗，直流输电不受系统同步运行稳定性问题的制约，运行不同步时，也可以实现互联，对保证两端电网的稳定运行至关重要。
（3）在中西部地区，外部电源稀缺的地方，直流输电可以实现风能、太阳能等新型能源的并网，不受地理环境的制约。
（4）能限制系统的短路电流。用交流输电线路连接两个交流系统时，由于系统容量增加，将使短路电流增大，有可能超过原有断路器的遮断容量，这就要求更换大量设备，增加大量的投资。直流输电时，就不存在上述问题。
（5）调节速度快，运行可靠。直流输电通过晶闸管换流器能够方便、快速地调节有功功率。如果采用双极线路，当一极故障，另一极仍可以大地或水作为回路，继续输送一半的功率，这也提高了运行的可靠性。
2柔性直流输电技术的基本原理
柔性直流输电通过运用电压源型换流器技术，采用绝缘栅双极晶体管IGBT，运用PWM脉宽调制技术进行整流逆变，是一种新型直流输电方式。
柔性直流输电，由换流站和直流输电线路构成。换流站的主要设备，包括：电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器、控制保护以及辅助系统等。
联结变压器是带抽头的普通变压器，其作用是为电压源换流器提供合适的工作电压，保证系统输出最大的有功功率和无功功率。
3柔性直流输电在铁路电力供电系统中的应用分析
3.1既有供电模式
交流输电，在输送大功率工频电力时，当输电导线面积超过95mm2，线路感抗就已超过阻抗，如果采用地下电缆，电容的影响又不容小觑，而且随着输电线路长度的增加，这种影响就会更加明显，由此造成的损耗会大大增加。
以武广高铁的一部分为原型，按贯通线的不同长度段，搭建模型，模似其在空载，而且没有任何补偿元件情况下的工况，通过BPA软件对系统潮流进行仿真计算，得出如下表所示的电压偏移情况。
由上表可知，线路越长，容性效应越明显，末端电压偏移越大。
带负荷运行状态下，线路越长，电压损失变大，首末端电压的相角差变大，线路有功消耗变大，直接导致供电经济性下降。对此，铁路供电目前的常用做法是，采用串联电容、并联电抗器、在配电所集中设置动态无功补偿装置等。这些措施，在改善了电能质量的同时，也带来了过电压升高，线损增大，投资增加等问题。
3.2柔性直流输电系统仿真分析
使用BPA软件，搭建直流输电模型，模拟一端连接无源负荷，使系统带负荷运行的动态过程。系统整流端控制器，采用定有功功率控制策略和定无功功率控制策略；逆变端控制器，采用写直流电压和定交流电压的控制策略。通过PID调节方式输出的物理量作为PWM控制的输入量，生成触发脉冲，进而控制换流站中电力电子元件的导通与关断。
在运行初期短暂的波动后，控制调节系统开始起作用，电压、电流、有功、无功都快速进入了稳定值。由于直流传输的过程中，线路的电抗和电感接近于零，因此，由电容引起的末端电压升高问题，可以避免，而且线路的功率损耗小，功率因数可以保持在较高的水平，几乎不需要电压补偿。由于直流电缆线路没有交流电缆线路中电容电流的困扰，没有磁感应损耗和介质损耗，基本上只有芯线电阻损耗，绝缘电压相对较低。
4前景与展望
由于柔性直流输电系统可以提高电网的可靠性、提供电压支撑能力和降低系统损耗，因此，可以改善铁路供电系统的安全性和可靠性，并极大的增大了供电半径。在能源紧缺的西部地区，直流输电在风能、太阳能接入方面的独特优势，为铁路用电的电源引入，提供了新的思路。随着电力电子技术的飞速发展，大功率全控型器件性价比的提高，柔性直流输电可能会成为未来电网的发展趋势，在铁路供电系统中，也会有非常光明的前景。
参考文献：
[1]王鑫.柔性直流输电技术在铁路电力供电系统中的应用分析与仿真研究[D].北京，中国铁道科学研究院，2018.